JP4658610B2 - 水性のコロイド状ガスブラック懸濁液 - Google Patents

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Description

本発明は水性のコロイド状ガスブラック懸濁液、その製造方法及びその使用に関する。
水性のコロイド状カーボンブラック懸濁液を表面コーティング、着色された印刷インクの製造において、及びまた直接的にインクとして、例えばインクジェットプリンターにおいて使用することは公知である(US−A5085698、US−A5320668)。
同時に湿潤剤として作用する染料を用いて、更なる湿潤剤を添加せずにカーボンブラック懸濁液を製造することも公知である(US−9911935)。
更に、水溶性の湿潤剤、例えばアクリル樹脂(US−A5609671)又はエトキシラート(DE19824947 A1)を用いて水性のカーボンブラック懸濁液を製造することも公知である。
湿潤剤で安定化された、公知のカーボンブラック懸濁液は、非イオン性界面活性剤が使用される場合には、ゼータ電位が高すぎかつ表面張力が低く、及び陰イオン性界面活性剤が使用される場合には、同様に陰イオン性である紙のコーティングとの強力な相互作用のために紙は非常に湿って、低い光学密度に導くという不利な点を有する。
染料によって安定化された、公知のカーボンブラック懸濁液の不利な点は、貯蔵及び凍結に対するその不十分な安定性である。分散液が比較的長い貯蔵寿命を有するか又は50℃より高い、又は0℃より低い温度で貯蔵される場合には、これは著しい及び不可逆的な粘性の増大、懸濁された顔料粒子の再アグロメレーション、又は懸濁液の完全なフロキュレーションを導く。更に、ファーネスブラックが使用される場合には、比較的低い光学密度が観察されることになり、これは同様に使用の観点において相当の不利な点となる。
本発明の目的は、担体材料、例えば紙に対する高い光学密度、低いゼータ電位及び高い表面張力を有する水性のガスブラック懸濁液を提供することである。
本発明は、
ガスブラック、
一般式1
[前記式中、R〜R12は同一又は異なっていて、水素、親水又は疎水基、受容体又は供与体置換基、又は受容体、供与体、親水又は疎水基を有する脂肪族、芳香族又はヘテロ芳香族、鎖式、環式又は多環式系の部分からなってよい]
のアゾ化合物、
及び水
を含有することを特徴とする、水性のコロイド状ガスブラック懸濁液を提供する。
コロイド状とは、分散剤において10nm〜10μmの直径を有する粒子の均一な分布を意味する。
インクにおける使用のためには、所望の印刷特性、例えば印刷物のシャープネスを得るために、印刷方法に依存して、低い粘性が有利である。カーボンブラック懸濁液における粒子の荷電の状態を示す低いゼータ電位は、懸濁液の良好な安定性の尺度である。高い表面張力は、例えばインクジェット方法における液滴形成において良い効果を有する。高い分散度は良好な貯蔵安定性、使用における良好な色彩特性、及び殊にインクジェット方法における、ノズル詰まりの防止のために非常に重要である。
ガスブラックは<21質量%、特に<6質量%の揮発性成分(950℃)の含有量を有してよい。ガスブラックは80〜350m/gのBET表面積を有してよい。ガスブラックは8〜40nm、殊に13〜30nm、とりわけ13〜20nmの一次粒子の大きさを有してよい。ガスブラックは40〜200ml/100gのDBP値を有してよい。
ガスブラックは様々なガスブラックの混合物であってもよい。
ガスブラックとしては、例えばDegussa AGのFarbruss FW200、Farbruss FW2、Farbruss FW 2 V、Farbruss FW 1、Farbruss FW 18、Farbruss S 170、Farbruss S 160、Spezialschwarz 6、Spezialschwarz 5、Spezialschwarz 4、Spezialschwarz 4A、NIPex 150、NIPex 160 IQ、NIPex 170 IQ、NIPex 180 IQ、Printex U、Printex V、Printex 140 U又はPrintex 140 Vが使用されてもよい。
本発明に従った水性のコロイド状カーボンブラック懸濁液中のガスブラックの含有量は、30質量%より少なく、特に20質量%より少なくてよい。
一般式1のアゾ化合物は前記アゾ化合物中に一般式1を1個又は数個含有していてよい。置換基R〜R12は非置換又は置換された、脂肪族又は芳香族置換基、例えばフェニル、ナフチル又はヘテロ芳香族置換基、例えばピロリル、ピリジニル、フリル又はプリル、受容体置換基、例えば−COOR13、−CO−R13、−CN、−SO13又は−SOOR13(この場合R13=H、アルカリ金属カチオン、アンモニウム、アルキル、アリール、又は官能化されたアルキル又はアリール、例えばω−カルボキシアルキル、HSO−C−、HN−C−、HN−SO−C−(x=1〜20;y=1〜45)、供与体置換基、例えばアルキル、アリール基、OR14、N(R14、SR14又はP(R14(この場合R14=H、アルキル、アリール又は官能化されたアルキル又はアリール)、−(O−R14)y−OR15(この場合R15=H、アルキル又はアリール)の形のオリゴマー又はポリマーである。
一般式1のアゾ化合物として例えば、以下が使用されてもよい。
一般式1のアゾ化合物として例えば、以下が使用されてもよい。
Acid Black 1(C.I. 20470)
Mordant Green 17(C.I. 17225)又は
Mordant Blue 13(C.I. 16680)
本発明に従った水性のコロイド状カーボンブラック懸濁液における一般式1のアゾ化合物の量は5質量%より少なく、特に3質量%より少なくてよい。
一般式1のアゾ化合物は30質量%より少ない、特に20質量%より少ない不純物を含有してよい。
一般式1のアゾ化合物は10質量%より少ない、特に5質量%より少ない塩を含有してよい。
アゾ化合物Acid Black 1、Mordant Green 17又はMordant Blue 13は30質量%より少ない不純物及び10質量%より少ない塩を含有してよい。
本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液は殺生物剤、湿潤剤及び/
又は添加剤を含有してよい。
本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液は殺生物剤を含有してよい。殺生物剤は0.01〜1.0質量%の量において添加されてよい。殺生物剤としては、イソチアゾリノン誘導体、ホルムアルデヒド脱離剤又は2種類の生成物の組み合わせ生成物が使用されてよい。例えば、Schuelke&MayrのParmetol、Bode ChemieのEbotec、Thor ChemieのActicide又はZenecaのProxelが殺生物剤として使用されてよい。
総懸濁液に基づいて0〜1質量%、特に0.4〜0.6質量%の量において湿潤剤を添加することも更に可能である。湿潤剤としては、例えば脂肪アルコールエトキシラート、ポリアクリル酸又は/及びその誘導体、アクリル酸、アクリル酸誘導体、スチレン、スチレン誘導体及び/又はポリエーテルを含有する共重合体、リグノスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸誘導体、無水マレイン酸及び/又はマレイン酸誘導体を含有する共重合体の化合物の種類、又は上記の湿潤剤の組み合わせが使用されてよい。共重合体はランダム又は交互ブロック又はグラフト共重合体であってよい。例えば、Johnson Polymer B.V.のJoncryl 678、Joncryl 680、Joncryl 682又はJoncryl 690は分散補助添加剤として使用されてよい。
有利な実施態様においては、分散補助添加剤として、アンモニウム又は水酸化アルカリ、特にNaOHで完全に中和されている、スチレン−アクリル酸共重合体の形を使用することが可能である。
他の種類の湿潤剤も同様に本発明に従ったカーボンブラック懸濁液の製造に適している。
添加剤、例えばアルコール、例えば1,5−ペンタンジオール、グリコール、例えばジプロピレングリコール、複素環式化合物、例えば2−ピロリドン、又はグリセロールを本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液に対して添加することもまた可能である。
本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液における添加剤の量は25質量%より少なく、特に15質量%より少なくてよい。
本発明はまた、ガスブラック及び一般式1のアゾ化合物を水中に分散することを特徴とする、本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液の製造方法を提供する。
分散はビーズミル、超音波装置、高圧ホモジェナイザー、マイクロフリュイダイザー(microfluidizers)、ウルトラチュラックス(Ultra−Turrax)又は同等の装置を用いて実施してよい。分散に引き続き、水性のコロイド状ガスブラック懸濁液を遠心分離及び/又は濾過によって精製してよい。
本発明はまた、インク、インクジェットインク、表面コーティング及び着色された印刷インクにおける、本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液の使用に関する。
本発明はまた、本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液を含有することを特徴とするインクに関する。
本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液の利点は、高い光学密度、低いゼータ電位、高い表面張力、良好な貯蔵安定性及び高い分散度である。
実施例:
カーボンブラック懸濁液の製造:
1.懸濁液の製造のための調製:
カーボンブラックを除く全ての成分を容器に装入し、撹拌によって均質化する。
カーボンブラックをゆっくりとした撹拌によって徐々に溶液に均質混合する(手又はゆっくりとした撹拌装置の使用のどちらかにより)。
2.分散
項目1において調製された懸濁液を、超音波装置を用いて分散する。非常に粗い粒子を遠心分離において、生じる懸濁液から分離してもよい。
対照懸濁液及び本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液1の組成及び特性を表1に示す。
NIPex90は14nmの一次粒子の大きさを有するDegussa AGの高いストラクチャーのファーネスブラックである。
NIPex160 IQは20nmの一次粒子の大きさを有するDegussaのガスブラックである。
Acticide MBSはThor Chemieの殺生物剤である。
Acid Black 1としては、Aldrich Chemical Companyの式
を有するNapthol Blue Blackを使用する。Acid Black 1は1.5質量%の塩の含有量を有する。
塩の含有量の決定
アゾ化合物の塩の含有量は、硫酸塩濃度によって測定され硫酸ナトリウムに変換される硫酸ナトリウム、及び塩化物濃度によって測定され塩化ナトリウムに変換される塩化ナトリウムの総量である。
硫酸塩濃度の決定
方法の基礎
容量の低いイオン交換体を分離カラムとして使用する。イオンの溶出が電解質を用いて生じる。電気伝導度検出器を検出のために使用する。
化学薬品
高純水(電気伝導率<0.1μS/cm)
硫酸塩貯蔵溶液 w(SO)=1000mg/l
溶出剤 NaCO/NaHCO(2.2/2.8mmol./l)
装置
容器
電気伝導度検出器を有するイオンクロマトグラフ
容量の低いイオン交換体
原理
試料を容器中で一時間の間室温において高純水を用いて溶出し、硫酸塩をイオンクロマトグラフィによって溶出物中で決定する。
実施
約200mgの試料を閉じることが可能な試験管中で計量し、容器において一時間の間室温で高純水を用いて溶出する。
懸濁液を次にメスフラスコに移し高純水で標線まで満たす。試験溶液が0.5〜40mg/l SO 2−を含有するようにメスフラスコを選択しなくてはならない。
試験溶液を0.2μm注入フィルターを用いイオンクロマトグラフに注入する。硫酸塩濃度を測定されたピーク面積を用いて計算する。
計算
塩化物濃度の決定
方法の基礎
塩化物の含有量を決定するために、試料を高純水中に懸濁する。
塩化物濃度を銀滴定を使用して決定する。
化学薬品
高純水(電気伝導率<0.1μS/cm)
塩化物貯蔵溶液、c(Cl)=0.1000±0.0005mol./l
硝酸銀溶液、c(AgNO)=0.1mol.mol./l又は
0.01mol./l
硝酸w(HNO)=30%
装置
Titroprocessor670(Metrohm)
銀棒電極
基準電極(Hg/HgSO
原理
懸濁液の製造の後、懸濁液を酸性化し、硝酸銀を用いて滴定する。
実施
約1〜3gの試料を1mgの正確さでもってガラスビーカーの中で計量する。
約80mlの高純水の添加の後、液位の上のビーカー壁に付着する材料を少量の水ですすぎ落としながら、撹拌を行う。
5分後、試料を硝酸で酸性化し、電極及びビュレットの先端を懸濁液中に浸し、滴定を電位差的に実施する。
計算
塩化物の重量wを次のように計算する:
本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液1は粘性が低く、及び高い光学密度、良好な貯蔵安定性及び高い分散度を示す。ファーネスブラックから製造された三つの対照懸濁液を使用して、流動可能な懸濁液は対照懸濁液3でのみ、Acid Black 1の量を著しく増加させることによってのみ得ることが可能であった。
図1は対照懸濁液3及び本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液1の光学顕微鏡画像を示す。対照懸濁液3は粗い粒子の高い含有量を有し、又は部分的にフロキュレーションし、及び従ってインクジェットインク用の要求を満たさない。本発明に従ったガスブラック懸濁液1は、他方で粗い粒子の、識別できるほどの含有量を示さない。
表2は本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液1と比較した、添加された陰イオン性湿潤剤(4)及び非イオン性湿潤剤(5)を有する対照懸濁液を示す。
Disponil FES 32 ISはCognisの陰イオン性湿潤剤(脂肪アルコールポリグリコールエーテルスルファート)である。Hydropalat 3065はCognisの非イオン性湿潤剤(エトキシル化された線形脂肪アルコールの混合物)である。AMP 90はAngus Chemieの2−アミノ−2−メチル−1−プロパノールである。
本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液1と比較して、湿潤剤で安定化された対照懸濁液4及び5は、非イオン性界面活性剤(5)が使用される場合には高すぎるゼータ電位及び低い表面張力を示し、その一方で陰イオン性界面活性剤(4)が使用される場合には、同様に陰イオン性である紙のコーティングとの強力な相互作用のために、過剰な紙の濡れ及び従って低すぎる光学密度が観察される(表2)。
表3は本発明に従った2種類の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液2及び3の組成及び特性を示す。
光学顕微鏡による分散度の検討:
カーボンブラック懸濁液試料の分散度を400×の倍率で評価する。顕微鏡の目盛りを用いて、>1μmの粗い粒子は前記設定で容易に検出することが可能である。
粘性の決定:
レオロジーの挙動を、制御されたずり速度(CSR)を有する回転検査においてPhysica Rheometer UDS 200を用いて決定する。粘性値を1000s−1のずり速度で読みとる。
平均の粒子の大きさの決定:
粒子の大きさの分布を光子相関分光計(PCS)、Horiba LB−500型を用いて決定し、示された「中央値」を平均の粒子の大きさとして読みとる。測定を希釈されていない懸濁液試料に対して行う。
表面張力の決定:
動的な表面張力をKruessのBP2 bubble tensiometerを用いて決定する。最終値を3000msで読みとる。
50℃での28日間にわたる貯蔵安定性の試験:
試料を50℃で乾燥棚中で28日間貯蔵する。粘性及びセディメントする傾向が検討される。
それぞれの懸濁液試料300mlを28日間50℃で乾燥棚中で閉じられたガラス瓶の中で貯蔵する。底部におけるセディメントの形成をスパチュラでチェックし、及び粘性をBrookfield DV II plus viscometerを用いて測定する。加えて、室温において貯蔵した場合のいくつかの試料におけるセディメントの形成を検討する。
凍結に対する安定性の試験:
試料を−25℃で凍結し、解凍の後、分散度を光学顕微鏡を用いてチェックする。
解凍の後、凍結された試料が再び高度に液状のコンシステンシーを有し、セディメントを形成せず、及び再アグロメレーションが光学顕微鏡下で可視できなければ、試料は凍結に安定であると評価する。
pHの決定:
pHをSchottのCG837 pH meter を用いて希釈されてない懸濁液に対して決定する。この目的のために、ガラス電極を溶液に浸し、及び温度修正されたpHを5分後に読みとる。
ゼータ電位の決定:
ゼータ電位をMatecのMBS−8000を用いて決定する。試料を希釈されていない状態で測定する。ゼータ電位を動電音響(ESA)を使用して決定する。
光学顕微鏡:
懸濁液試料の分散度を400×倍率で評価する。光学顕微鏡の目盛りを使用して、>1μmの粗い粒子はその設定で容易に検出することが可能である。
評価の段階:
評価1:非常に良好;>1μmの粗い分画はない、
評価2:よい;>1μmの粗い分画はほとんどない、
評価3:悪い;>1μmの粗い粒子が多い
本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液2及び3は最適懸濁液用の全ての要求を満たす。
2−ピロリドン、1,2−ヘキサンジオール、1,3−プロパンジオール、エトキシル化されたグリセロール、ジメチルアミノエタノール及び脱イオン水を使用して、4.5%のカーボンブラック含有量を含有するインクを本発明に従ったガスブラック懸濁液から調製する。この目的のために、インク添加剤の予混合物を容器に入れ、攪拌しながらカーボンブラック懸濁液を前記予混合物中に注意深く添加する。完成したインクを500nmの細度のフィルターで濾過する。6μmのドローダウンを次にコピー紙(型:Kompass Copy Office)の上に、K Control Coater 塗布装置を用いて作製し、光学密度を24時間後にデンシトメーターを用いて決定する。
印刷試験をCanon Office printer BJC−S750及びHP Office printer 970 Cxiを用いて実施する。この目的のために、インクを最初に真空中で脱気し、洗浄されたオリジナルのプリンターカートリッジ中に導入する。
次の印刷試験を実施する:
a.光学密度の決定及び印刷品質の視覚的な評価のためにコピー紙及び様々な市販のインクジェット紙の上に片面印刷。
b.印刷開始又はインクの乾燥挙動を評価するために、1日間、3日間及び7日間の印刷の休止期間の後に試験再開。
印刷結果は表4に要約される。
本発明に従ったインクは非常に良好な印刷適性、高い光学密度及び非常に良好な貯蔵安定性によって特徴づけられる。
注:
1=非常に良好;2=よい;3=悪い
+=印刷開始に問題なし;−=印刷開始に問題あり
図1は対照懸濁液3及び本発明に従った水性のコロイド状ガスブラック懸濁液1の光学顕微鏡画像を示す。

Claims (14)

  1. ガスブラック、
    のアゾ化合物、
    及び水
    を含有する、水性のコロイド状ガスブラック懸濁液であって、
    前記アゾ化合物は10質量%より少ない塩を含有することを特徴とする、水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  2. ガスブラックは<21質量%の揮発性成分(950℃)の含有量、80〜350m/gのBET表面積、8〜40nmの一次粒子の大きさ及び40〜200ml/100gのDBP値を有することを特徴とする、請求項1記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  3. ガスブラックの含有量は<30質量%であることを特徴とする、請求項1記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  4. ゾ化合物の含有量は<5質量%であることを特徴とする、請求項1記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  5. ゾ化合物は30質量%より少ない不純物を含有することを特徴とする、請求項1記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  6. 殺生物剤、湿潤剤及び/又は添加剤を含有することを特徴とする、請求項1記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  7. 湿潤剤は脂肪アルコールエトキシラート、ポリアクリル酸又は/及びその誘導体、アクリル酸、アクリル酸誘導体、スチレン、スチレン誘導体及び/又はポリエーテルを含有する共重合体、リグノスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸誘導体、無水マレイン酸及び/又はマレイン酸誘導体を含有する共重合体又は上記の湿潤剤の組み合わせであることを特徴とする、請求項記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  8. 湿潤剤の含有量は0〜1質量%であることを特徴とする、請求項記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  9. 添加剤はアルコール、グリコール、複素環式化合物又はグリセロールであることを特徴とする、請求項記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  10. 添加剤の含有量は<25質量%であることを特徴とする、請求項記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液。
  11. ガスブラック及びアゾ化合物を水中に分散することを特徴とする、請求項1記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液の製造方法。
  12. 分散はビーズミル、超音波装置、高圧ホモジェナイザー、マイクロフリュイダイザー、ウルトラチュラックス又は同等の装置を用いて実施することを特徴とする、請求項11記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液の製造方法。
  13. インク、インクジェットインク、表面コーティング及び着色された印刷インクにおける、請求項1記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液の使用。
  14. 請求項1記載の水性のコロイド状ガスブラック懸濁液を含有することを特徴とするインク。
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